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      微機電系統（MEMS）水聽器憑借低成本、低功耗、微型化等優勢，在聲學探測領域發展迅速且應用廣泛。隨著海洋環境的復雜性提升和水下設備的技術發展，對MEMS水聽器的性能提出了更高要求。然而，MEMS水聽器的傳感性能受結構、原理及MEMS加工技術等多因素影響。為了突破靈敏度和帶寬的瓶頸，基于新原理、新結構和新材料的新型MEMS水聽器不斷涌現。

      據麥姆斯咨詢報道，近期，中國人民解放軍海軍潛艇學院和嶗山實驗室的研究團隊綜述了基于電學、熱學、光學等原理的MEMS水聽器技術，并系統介紹了MEMS水聽器先進技術的發展現狀。這項研究還闡述了MEMS水聽器的發展特點，分析了當前存在的問題，并展望了未來發展趨勢。相關研究內容以“Advances in MEMS Hydrophone Technology”為題發表在IEEE Access期刊上。

MEMS水聽器的分類

MEMS水聽器可依據不同標準和維度進行分類。根據MEMS水聽器測量的聲學量差異，可將其分為MEMS標量水聽器和MEMS矢量水聽器；其中，MEMS矢量水聽器根據測量聲學量的空間通道維度，又可進一步細分為一維、二維和三維三種類型。為了更有效地探測聲波引起的形變，MEMS水聽器研究主要聚焦于敏感結構的設計。根據MEMS水聽器的敏感結構不同，可將其分為薄膜型MEMS水聽器、懸臂梁型MEMS水聽器、圓柱型MEMS水聽器等類型。根據MEMS水聽器測量過程中核心能量轉換原理，可將其分為電學式MEMS水聽器、光學式MEMS水聽器、熱學式MEMS水聽器和電化學式MEMS水聽器。

圖1 MEMS水聽器的分類

電學式MEMS水聽器

電學式MEMS水聽器的核心能量轉換原理是將聲波傳播產生的形變轉化為電路中電阻、電壓、電容等電學參數的變化，從而實現聲信號到可測量電信號的轉換。根據聲波轉換的敏感元件的物理量，電學式MEMS水聽器可分為壓電式、壓阻式和電容式。

壓電式MEMS水聽器基于壓電效應實現聲信號與電信號的轉換。其敏感元件由各種壓電材料構成。當聲波傳播時，壓電材料因形變產生極化反應，導致材料表面的電勢變化，進行實現信號轉換。MEMS水聽器中常用的壓電材料主要有鋯鈦酸鉛（PZT）、氮化鋁（AlN）和氧化鋅（ZnO）。

圖2 壓電式MEMS水聽器的結構示例

壓電式MEMS水聽器通常采用薄膜和懸臂梁結構。典型的壓電薄膜MEMS水聽器由壓電材料、電極和襯底組成。壓電材料對聲波引起的形變很敏感，電極測量電勢變化，輸出電壓經放大即可反映信號強度。壓電式MEMS水聽器靈敏度主要取決于輸出電壓的幅值大小。

壓阻式MEMS水聽器基于壓阻效應實現聲信號與電信號的轉換。其敏感元件由壓阻式電阻構成。在聲波作用下，敏感元件形變引起電阻率的變化，進而導致電阻值改變，由此實現信號轉換。這類水聽器常用懸臂梁和纖毛柱結構。其中仿生纖毛聲學敏感結構可探測二維聲矢量，已初步應用于水下湍流探測和水雷武器等領域。

圖3 纖毛式MEMS水聽器結構

圖4 新型纖毛式MEMS水聽器結構

圖5 三維纖毛式MEMS矢量水聽器結構

纖毛式MEMS水聽器的優勢在于高頻探測能力。遺憾的是，靈敏度與帶寬之間的固有矛盾難以調和。通過優化纖毛敏感結構的形狀，可以擴大敏感聲壓面積，從而提升低頻靈敏度，但會導致探測帶寬縮短。目前這一問題尚無有效的解決方案。

電容式MEMS水聽器的敏感元件由電容結構構成。聲波引起的位移形變導致電容值的變化，從而實現聲信號與電信號的轉換。電容式傳感器可分為可變面積型、可變極距型和可變介質型。其中可變極距型易于制備且聲波轉換原理簡單，被廣泛應用于電容式MEMS水聽器。

圖6 電容式MEMS水聽器原理

圖7 新型電容式MEMS水聽器

根據電容結構，可變極距型電容式MEMS水聽器可分為非差分電容傳感器和差分電容傳感器。非差分電容傳感器結構主要由上電極、下電極和腔體組成。上電極為敏感薄膜，聲波作用下與下電極產生極板間距的變化，從而將聲信號轉換為電信號。

熱學式MEMS水聽器

熱學式MEMS水聽器可以直接測量介質中聲粒子的振動速度。其靈敏度不隨頻率的降低而衰減，具備探測低頻聲矢量信號的能力，體現了熱學式MEMS水聽器的獨特優勢。其核心能量轉換原理是通過電阻隨溫度變化的特性，來測量聲波傳播產生的溫度場變化，進而實現聲信號的測量。

熱學式MEMS傳感器常用的敏感元件為熱電阻和熱電偶。在結構方面，熱絲（hot-wire）和熱膜結構得到廣泛應用，并且是熱門研究方向。目前，熱絲結構主要應用于熱學式MEMS水聽器。通常采用具有優良電阻溫度系數的金屬鉑作為溫度敏感材料，以測量聲波擾動引起的溫度場變化。熱膜式MEMS傳感器通常用于空氣熱流檢測，并已應用于航空發動機渦輪葉片的檢測。

根據熱絲數量，熱絲式MEMS水聽器可分為單絲、雙絲和三絲三種類型。圖8展示了不同熱絲在聲擾動下的溫度場分布特征。根據測量聲矢量的空間維度，可將其分為一維熱絲式MEMS水聽器、二維熱絲式MEMS水聽器和三維熱絲式MEMS水聽器。

圖8 熱絲式MEMS水聽器原理

圖9 熱絲式MEMS水聽器結構的研制

光學式MEMS水聽器

光學式MEMS水聽器是一種利用光學中的反射、折射、干涉和衍射效應來探測水下聲波的MEMS傳感器。光纖傳感系統具有抗電磁干擾、高靈敏度、大動態范圍、輕量化、結構設計靈活、傳輸距離長、易于構建大規模陣列以及可同時測量多參數等優勢。

根據光學效應，光學式MEMS水聽器可分為反射型、折射型、干涉型和衍射型。根據測量物理量，光學式MEMS水聽器可分為聲壓水聽器和矢量水聽器兩大類。聲壓水聽器應具備抗靜水壓能力，聲矢量水聽器通常采用加速度敏感結構。根據光束傳播的位置，光學式MEMS水聽器可分為本征型光纖傳感器與非本征型光纖傳感器。目前，干涉型和衍射型光聲傳感器是光學MEMS水聽器的研究熱點。

干涉型光纖水聽器利用光的干涉效應探測聲波引起的光程變化，通過信號解調實現聲波探測。根據干涉儀的類型可分為四類：邁克爾遜干涉儀（MI）、薩格納克干涉儀（SI）、馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）和法布里-珀羅干涉儀（FPI）。根據相干光源產生方式，可分為分波振面型和分振幅型。

圖10 FPI MEMS光纖水聽器的結構研制

干涉型MEMS水聽器的研究主要聚焦于結構設計（例如薄膜形狀結構、敏感結構）、薄膜材料（例如聚合物薄膜、光子晶體薄膜、石墨烯薄膜、金屬薄膜、硅薄膜）、工藝技術（例如蝕刻、鍵合、切割加工）等方面。

光柵型MEMS水聽器可分為無源光纖光柵聲傳感器和有源光纖光柵聲傳感器。無源光纖光柵聲傳感器的核心部件是布拉格光柵，它利用光的衍射和干涉現象，主要分為單光纖光柵型和雙光纖光柵FP干涉型兩種。有源光纖光柵聲傳感器的核心部件是分布式反饋光纖激光器，它利用聲波產生的中心波長變化實現聲波探測。光柵傳感器的優勢在于易于重復使用、便于實現多單元陣列測量。盡管對傳統光纖光柵水聽器已進行了充分研究，但基于MEMS技術的光柵水聽器仍存在諸多待解問題。

微諧振式光學MEMS聲傳感器的基本原理是在聲波作用下介質的密度發生變化，導致光在介質中的折射率改變。通過測量折射率變化引起的相位差、波長差和光強變化，即可實現對聲波的探測。其中，光纖微環諧振器已被應用于水下聲波探測，可覆蓋低頻聲波至高頻聲波范圍。環形微諧振器MEMS水聽器在實際應用中的缺陷在于工作頻帶較窄、結構脆弱、易受振動影響。此外，水下溫度的變化會改變諧振腔的折射率和尺寸，從而影響傳感器的性能。

總結

綜上所述，該論文以近十年MEMS水聽器的研究為重點，總結了三類典型MEMS水聽器的基本原理，然后梳理了不同類型MEMS水聽器的常見問題和改進方案，以及三類MEMS水聽器的研究進展。同時，該研究分析了當前MEMS水聽器研究的特點及未來發展趨勢，為相關領域的研究者提供參考依據。當前，MEMS水聽器正處于快速發展階段，隨著MEMS技術的日趨成熟、新材料技術不斷進步，集成化、多功能化、低成本化的MEMS水聽器有望得到更廣泛的應用。